Matemáticas IIDifícil2 pts

Áreas, volúmenes y distancias

Extremadura · 2021 · Junio
Enunciado
Sea el plano Π≡x+y+z=1\Pi \equiv x + y + z = 1. Encontrar un plano paralelo a Π\Pi tal que el triángulo formado por los puntos de corte de dicho plano con los ejes tenga área 232\sqrt 3. (2 puntos)
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Resultado
  x+y+z=2ox+y+z=−2  \boxed{\;x + y + z = 2 \quad \text{o} \quad x + y + z = -2\;}
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Estrategia

Todos los planos paralelos a Π\Pi tienen el mismo vector normal (1,1,1)(1, 1, 1), así que son de la forma x+y+z=Dx + y + z = D. Cortamos uno genérico con los tres ejes, calculamos el área del triángulo que forman esos tres puntos con el producto vectorial (Aˊrea=12∣AB⃗×AC⃗∣\text{Área} = \tfrac12|\vec{AB} \times \vec{AC}|) en función de DD e igualamos a 232\sqrt 3.
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Desarrollo

Planos paralelos a Π\Pi. Un plano paralelo a Π\Pi tiene su mismo vector normal, n⃗=(1,1,1)\vec n = (1, 1, 1):Π′≡x+y+z=D,D≠1\Pi' \equiv x + y + z = D, \qquad D \neq 1(D=1D = 1 es el propio Π\Pi; y D=0D = 0 no sirve, porque ese plano pasa por el origen y los tres cortes coinciden en (0,0,0)(0, 0, 0), sin triángulo.)

Puntos de corte con los ejes. En el eje OXOX es y=z=0y = z = 0, luego x=Dx = D; igual con los otros dos:A=(D,0,0),B=(0,D,0),C=(0,0,D)A = (D, 0, 0), \qquad B = (0, D, 0), \qquad C = (0, 0, D)Área del triángulo.AB⃗=(−D, D, 0),AC⃗=(−D, 0, D)\vec{AB} = (-D,\ D,\ 0), \qquad \vec{AC} = (-D,\ 0,\ D)AB⃗×AC⃗=∣i⃗j⃗k⃗−DD0−D0D∣=(D2−0) i⃗−(−D2−0) j⃗+(0+D2) k⃗=(D2, D2, D2)\vec{AB} \times \vec{AC} = \begin{vmatrix} \vec i & \vec j & \vec k \\ -D & D & 0 \\ -D & 0 & D \end{vmatrix} = (D^2 - 0)\,\vec i - (-D^2 - 0)\,\vec j + (0 + D^2)\,\vec k = (D^2,\ D^2,\ D^2)∣AB⃗×AC⃗∣=3D4=3 D2⟹Aˊrea=32 D2|\vec{AB} \times \vec{AC}| = \sqrt{3D^4} = \sqrt 3\,D^2 \quad\Longrightarrow\quad \text{Área} = \frac{\sqrt 3}{2}\,D^2Imponemos el área pedida.32 D2=23  ⟺  D2=4  ⟺  D=2 o D=−2\frac{\sqrt 3}{2}\,D^2 = 2\sqrt 3 \iff D^2 = 4 \iff D = 2 \ \text{o}\ D = -2Hay dos planos que cumplen la condición (simétricos respecto del origen):Π1≡x+y+z=2,Π2≡x+y+z=−2\Pi_1 \equiv x + y + z = 2, \qquad \Pi_2 \equiv x + y + z = -2El enunciado pide uno; cualquiera de los dos es válido.

Comprobación. Con D=2D = 2 el triángulo tiene vértices (2,0,0)(2,0,0), (0,2,0)(0,2,0) y (0,0,2)(0,0,2): es equilátero de lado ∣AB⃗∣=4+4=22|\vec{AB}| = \sqrt{4 + 4} = 2\sqrt 2, y el área de un triángulo equilátero de lado ℓ\ell es 34ℓ2=34⋅8=23\frac{\sqrt 3}{4}\ell^2 = \frac{\sqrt 3}{4}\cdot 8 = 2\sqrt 3 ✓.
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Consejo

Al despejar D2=4D^2 = 4 no te quedes solo con D=2D = 2: el valor negativo también da un plano paralelo con un triángulo de la misma área. Aunque el enunciado pida «un plano», di que hay dos y elige uno.

Si no recuerdas el producto vectorial, aquí hay atajo: el triángulo es equilátero de lado ∣D∣2|D|\sqrt 2 y su área es 34ℓ2\frac{\sqrt 3}{4}\ell^2. Pero justifica que es equilátero.
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